杜艷艷 馮 磊 余為維

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)勘查院，河南省鄭州市，451464；2.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南省焦作市，454000；3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

近年來，槽波地震勘探技術(shù)發(fā)展日趨完善，在煤礦生產(chǎn)開采領(lǐng)域發(fā)揮的作用日益顯著，在斷層、陷落柱等小構(gòu)造探測方面的研究與應(yīng)用愈加廣泛，其中，姬廣忠等對三維槽波數(shù)值模擬進(jìn)行了初步探索；馮磊等對槽波波場分離進(jìn)行了相關(guān)研究并取得較為良好的分離效果。同時，眾多學(xué)者對槽波在煤厚及隱伏構(gòu)造探測方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，使得槽波地震勘探的研究達(dá)到了新的高度。礦井透射法槽波地震勘探通過拾取特定頻率下槽波旅行時數(shù)據(jù)，進(jìn)行層析反演得到槽波速度，進(jìn)而推測煤層厚度分布。根據(jù)以往研究結(jié)果表明，拾取槽波旅行時數(shù)據(jù)的合理性極大地影響了層析成像的結(jié)果，為此通過對透射法槽波旅行時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、檢測、判斷，從而達(dá)到提高槽波層析反演結(jié)果精度的目的。

1 透射槽波探測煤厚基本原理

透射法槽波地震勘探是將震源和檢波器分別布置在兩個不同巷道內(nèi)，在其中一條巷道內(nèi)沿直線布置間隔為5～20 m的炮孔作為激發(fā)點，在另一條巷道中沿直線布置間隔為10～30 m的鉆孔作為接收點，由此，在一條巷道中激發(fā)的地震波經(jīng)煤層和頂?shù)装逋干涞搅硪粭l巷道中產(chǎn)生槽波并接收。

當(dāng)煤層橫波速度為900 m/s、圍巖橫波速度為2600 m/s時，煤層厚度分別為1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m、7.0 m的槽波群速度頻散曲線如圖1所示。

圖1 不同煤厚頻散曲線

分析單條頻散曲線可知槽波群速度隨頻率的增大先減小至一個極小值(即埃里相速度)，再緩慢增大，最后趨近于煤層橫波速度。整體分析可知，在特定群速度下，不同厚度的煤層其槽波群速度隨煤厚的減小而增大，呈明顯的負(fù)相關(guān)，因此可以通過特定頻率下的群速度來有效識別煤層厚度。此外，分析頻率高低時可以看到，當(dāng)選擇的特定頻率為頻低時(如100 Hz)，識別厚煤層較為有效；當(dāng)選擇的特定頻率為高頻時(如300 Hz)，識別薄煤層較為有效。

2 透射槽波旅行時的拾取

依據(jù)勒夫型槽波的頻散特征進(jìn)行槽波旅行時數(shù)據(jù)拾取，通過ISSTTA軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻散處理及分析。為保證槽波旅行時數(shù)據(jù)的拾取精度，除了常規(guī)的去噪、濾波等處理步驟外，關(guān)鍵步驟是需要進(jìn)行波場分離。通過橢圓率與方位角濾波獲得勒夫型槽波數(shù)據(jù)，再進(jìn)行頻散處理，可以極大提高分析精度。以德國DMT公司SUMMIT槽波地震儀采集到的水平雙分量地震數(shù)據(jù)為例，利用ISSTTA軟件進(jìn)行波場分離處理，得到5種不同類型地震波頻散曲線，分別為原始數(shù)據(jù)X分離、原始數(shù)據(jù)Y分離、平行波傳播分量、垂直波傳播分量以及勒夫型槽波數(shù)據(jù)。

結(jié)合理論頻散曲線所確定的主頻，對分離后的時間域或時頻域頻散曲線拾取槽波旅行時數(shù)據(jù)，如圖2所示。篩選出質(zhì)量最好的頻散曲線來進(jìn)行槽波旅行時拾取，拾取過程中根據(jù)頻散曲線質(zhì)量的優(yōu)劣可以相應(yīng)評估槽波旅行時數(shù)據(jù)的優(yōu)劣。當(dāng)頻散曲線質(zhì)量較差而無法有效拾取槽波旅行時數(shù)據(jù)時，可以通過單道估算速度、炮集估算速度或圍巖橫波速度來修正頻散曲線，以達(dá)到便于槽波旅行時拾取的最佳效果。若修正后效果仍不理想，可以舍棄該道槽波旅行時數(shù)據(jù)的拾取，以避免數(shù)據(jù)差異對整體數(shù)據(jù)質(zhì)量造成影響。

圖2 槽波旅行時數(shù)據(jù)拾取

拾取處理完成后，可以通過檢測板及相應(yīng)的射線路徑、槽波旅行時曲線等直觀地查看拾取槽波旅行時數(shù)據(jù)的整體分布，如圖3所示，以便于從宏觀上對數(shù)據(jù)拾取質(zhì)量進(jìn)行把控。

圖3 槽波旅行時數(shù)據(jù)分布情況

3 槽波旅行時數(shù)據(jù)合理性檢測

在透射法槽波層析反演中，槽波旅行時數(shù)據(jù)作為層析反演的輸入數(shù)據(jù)，決定著反演結(jié)果的精度。拾取槽波旅行時數(shù)據(jù)的微小誤差都會對反演結(jié)果造成較大的影響。因此，槽波旅行時數(shù)據(jù)合理性的檢測是透射槽波煤厚探測中所不可或缺的關(guān)鍵步驟。通過ISSTTA軟件中槽波旅行時數(shù)據(jù)檢測模塊，可以直觀有效地對槽波旅行時數(shù)據(jù)的合理性進(jìn)行檢測，以提高層析反演結(jié)果的準(zhǔn)確度。具體分為以下兩個方面。

(1)采用綜合手段對拾取的槽波旅行時的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步檢測和校正。為了解決槽波旅行時數(shù)據(jù)的合理性問題，ISSTTA軟件依據(jù)槽波旅行時數(shù)據(jù)的顏色分布和曲線形態(tài)提供了多種檢測方式，包括道集排列、槽波旅行時曲線、網(wǎng)格顏色、射線顏色、頻散質(zhì)量評價以及射線路徑等，如圖4所示。

圖4 槽波旅行時數(shù)據(jù)檢測方法

例如，基于槽波旅行時曲線的檢測方法是將拾取的槽波旅行時數(shù)據(jù)大小以折線圖的方式表示，每條折線段和折線端點處的顏色對應(yīng)于槽波旅行時數(shù)據(jù)大小，在此基礎(chǔ)上可以快速準(zhǔn)確地對單個槽波旅行時數(shù)據(jù)進(jìn)行初步校正，如圖5所示。

圖5 槽波旅行時曲線檢測方法

(2)對拾取完的槽波旅行時數(shù)據(jù)進(jìn)行整體校正。在槽波地震數(shù)據(jù)采集中，由于炮點和檢波點的間距都很小，因此相鄰位置的槽波旅行時數(shù)據(jù)應(yīng)該變化不大，理論上檢測板中所拾取的槽波旅行時數(shù)據(jù)整體應(yīng)表現(xiàn)為自然過渡的漸變特征，可據(jù)此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行槽波旅行時數(shù)據(jù)的整體校正。

4 應(yīng)用實例

以義馬煤業(yè)新安煤礦11061工作面為例，初始拾取的槽波旅行時數(shù)據(jù)在檢測板上顯示的整體分布情況及其對應(yīng)反演結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看到，盡管檢測板上中間部分顯示所拾取的槽波旅行時較為完整，但右上角與左下角的槽波旅行時數(shù)據(jù)缺失較為嚴(yán)重，且整體數(shù)據(jù)分布并沒有呈現(xiàn)出自然過渡的特征。從對應(yīng)的反演結(jié)果來看，中低速區(qū)都集中在右側(cè)，速度最低為800 m/s，高速區(qū)較為突出，速度最高為2800 m/s，且沒有出現(xiàn)速度空白區(qū)，表明所拾取的槽波旅行時數(shù)據(jù)存在偏差。

首先采用綜合方法對初始拾取的槽波旅行時進(jìn)行檢測和校正，對前7個震源的16～21道(即檢測板右上角)以及第30～35個震源的1～4道(即檢測板左下角)槽波旅行時數(shù)據(jù)進(jìn)行了補(bǔ)充完善。隨后對槽波旅行時數(shù)據(jù)進(jìn)行整體校正，由于第24～28個震源的17～19道的槽波旅行時數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，對其進(jìn)行了部分刪減，從而使得校正后的槽波旅行時數(shù)據(jù)整體呈自然過渡的漸變特征。通過以上兩個方面對義馬煤業(yè)新安煤礦11061工作面的槽波旅行時進(jìn)行處理后，其數(shù)據(jù)特征及其反演結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，利用校正后數(shù)據(jù)所得出的反演結(jié)果相比原反演結(jié)果存在顯著差異，其中低速區(qū)集中在右側(cè)，速度最低為900 m/s，高速區(qū)基本集中在中部，速度最高為2500 m/s，且左上角為速度空白區(qū)。結(jié)合實際生產(chǎn)情況，該反演結(jié)果與校正前的原反演結(jié)果相比更為精確可信。

圖6 初始拾取的槽波旅行時數(shù)據(jù)及其反演結(jié)果

圖7 修正后的槽波旅行時數(shù)據(jù)及其反演結(jié)果

5 結(jié)論

(1)在特定頻率下，煤層厚度與相應(yīng)的槽波群速度呈負(fù)相關(guān)，據(jù)此原理通過特定頻率下的層析反演結(jié)果可以實現(xiàn)煤厚的有效判識。

(2)槽波旅行時數(shù)據(jù)拾取中的微小誤差均會導(dǎo)致反演結(jié)果的不穩(wěn)定，進(jìn)而對煤厚預(yù)測產(chǎn)生不良影響，因此檢測分析槽波旅行時數(shù)據(jù)的合理性直接影響層析反演的精度，這也是預(yù)測煤層厚度的關(guān)鍵。

(3)基于道集排列、槽波旅行時曲線等綜合方法對拾取槽波旅行時進(jìn)行的數(shù)據(jù)初步檢測與校正以及槽波旅行時數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量校正可以有效地減小槽波旅行時數(shù)據(jù)的拾取誤差，增強(qiáng)反演結(jié)果穩(wěn)定性，從而提高煤厚預(yù)測精度。